Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства





Скачать 356.61 Kb.
НазваниеЁм Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства
страница1/3
Дата публикации03.08.2013
Размер356.61 Kb.
ТипАвтореферат
100-bal.ru > Право > Автореферат
  1   2   3

На правах рукописи



ЕРЕМИЗИН Артём Николаевич




НАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ФРАКТАЛЬНОЙ
ТРЕЩИННОЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОРОД
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
В ПРОЦЕССАХ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА


Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»



Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО
«Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Латышев Олег Георгиевич.
Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ермолаев Александр Иванович, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», зав. кафедрой безопасности горного производства;

кандидат технических наук Пиленков Юрий Юрьевич, ООО «Уральский научно-исследовательский и проектный институт горно-металлургической промышленности «Унипромедь», заместитель генерального директора.
Ведущая организация – Институт горного дела Уральского отделения РАН.

Защита состоится 10 мая 2012 г. В 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург,
ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 05 апреля 2012 г.
Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В. К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Разрушение горных пород является определяющим процессом технологии разработки месторождений полезных ископаемых, изучению которого посвящены многочисленные работы, формирующие отдельное бурно развивающееся направление научных исследований. До настоящего времени единой работоспособной теории разрушения пород взрывом не создано, однако общепризнано, что главным фактором является образование новых поверхностей в ходе зарождения и развития трещин. Известные методы изучения трещиноватости пород обычно рассматривают трещины как линейные структуры, что не соответствует их природе. Представляется весьма плодотворным исследовать трещинную структуру горных пород с фрактальных позиций. Это позволяет не только определить реальную геометрию трещин, но и в более широком смысле оценить самоподобие трещинной структуры как фундаментальное свойство природы.

Перспективным средством интенсификации трещинообразования и, следовательно, разрушения горных пород является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Действие ПАВ основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). В последнее время получены положительные результаты использования ПАВ для повышения эффективности буровзрывных работ при разработке месторождений полезных ископаемых. Для успешного распространения этого опыта необходима разработка теоретических и методических основ прогноза эффективности действия поверхностно-активных сред. Одним из таких направлений является изучение роли эффекта Ребиндера в развитии трещиноватости горных пород.

Все вышеизложенное определяет актуальность данной темы исследований.

Диссертация выполнялась в соответствии с поисковой научно-исследовательской работой «Направленное изменение фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.

Объект исследования – трещинная структура и свойства скальных горных пород.

Предмет исследования – закономерности изменения свойств и фрактальных характеристик трещиноватости пород в поверхностно-активной среде.

Цель работы – обеспечение надёжности прогноза прочности и разрушаемости горных пород на основе учёта фрактальных характеристик их трещинной структуры.

Идея работы заключается в использовании закономерностей изменения фрактальной трещинной структуры горных пород под действием ПАВ для прогноза характеристик их разрушаемости.

Тема исследования соответствует паспорту специальности 25.00.20
(пп. 3, 6).

Основные задачи исследования:

1. Совершенствование микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии и изучение трещинной структуры горных пород.

2. Разработка компьютерной технологии определения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород.

3. Изучение динамики развития трещинной структуры горных пород в процессе их нагружения.

4. Исследование действия поверхностно-активной среды на фрактальные характеристики, свойства и состояние горных пород.

5. Аналитическая оценка с фрактальных позиций разрушаемости горных пород.

6. Прогноз прочности и эффективности использования ПАВ в процессах разрушения горных пород.

Методы исследований: лабораторное определение свойств горных пород по стандартным методикам; микроскопический люминесцентный метод дефектоскопии; математическое моделирование трещинной структуры горных пород; статистическая проверка надежности и достоверности результатов исследований; аналитические исследования разрушаемости горных пород с учетом фундаментальных законов физики твердого тела (горных пород) и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

  1. Разработанная методика и программное обеспечение анализа фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород являются базой для оценки реальной геометрии трещин, закономерностей их пространственного распределения, изучения динамики развития трещинной структуры горных пород.

  2. Активизация процессов зарождения и развития трещин под действием поверхностно-активных веществ надежно оценивается изменением энтропийной и корреляционной размерностей трещинной структуры горных пород.

  3. Процесс разрушения горных пород включает две стадии, границы и параметры которых определяются динамикой изменения фрактальной размерности кластерной структуры пород и уравнениями теории хрупкого разрушения и кинетической концепции прочности с учетом фрактальных характеристик трещин.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается использованием апробированных методов фрактальной геометрии; достаточным с точки зрения статистических критериев объемом экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов и реализации компьютерных моделей с наблюдаемыми значениями трещиноватости и свойств изученных пород (расхождение не превышает естественную вариацию данных характеристик).

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

- На основе адаптированного к изучению скальных пород микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии разработана методика анализа трещинной структуры горных пород, отличающаяся тем, что здесь с единых позиций фрактальной геометрии оценивается истинная поверхность природных трещин, неоднородность их пространственного распределения, формирование кластеров.

- Установлены закономерности развития кластерной структуры горных пород в процессе их нагружения. Для количественной оценки данного процесса впервые обоснован комплекс фрактальных характеристик трещиноватости пород.

- Получены уравнения и определены закономерности изменения коэффициентов интенсивности напряжений, трещиностойкости и трещинодвижущей силы с ростом фрактальной размерности трещин в горных породах.

- Впервые обосновано использование фрактальной кластерной размерности для прогноза динамики и параметров разрушения горных пород на стадиях накопления повреждений и развития системы трещин.

Практическая значимость работы:

Комплексная методика определения и анализа фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород является эффективным инструментом анализа при проведении научных исследований в области физики разрушения горных пород. Установлены количественные соотношения, позволяющие прогнозировать эффективность использования ПАВ при отбойке блоков пород невзрывчатыми разрушающими составами (НРС) и дробления горных пород взрывом при проходке выработок.

Личный вклад автора состоит: в непосредственном участии автора в экспериментальных исследованиях; в отработке микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии; в разработке компьютерного обеспечения исследований; в аналитических исследованиях разрушаемости горных пород с фрактальных позиций и получении основных выводов по работе.

Реализация результатов работы. Комплексная методика изучения трещинной структуры горных пород, включающая микроскопический метод люминесцентной дефектоскопии и компьютерное обеспечение анализа, передана Институту горного дела УрО РАН и ОАО «Уралгипротранс».

Теоретические и экспериментальные результаты исследований по направленному изменению фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам: «Физика горных пород», «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании», «Методы и средства изучения быстропротекающих процессов».

Основные материалы, полученные в диссертации, включаются в монографию «Направленное изменение фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства», готовящуюся в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», 19-21 мая 2010 г., г. Екатеринбург, УГГУ; на ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета (2009 – 2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 6 статей – в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников из 203 наименований и содержит 165 страниц машинописного текста, включая 70 рисунков и 20 таблиц.

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг.; госбюджетной НИР «Теоретические основы прогноза прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках с учетом фрактальных характеристик трещинной структуры», выполняемой по заданию Минобрнауки РФ (2011-2013 гг.).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава посвящена анализу закономерностей процессов трещинообразования и разрушения горных пород под действием поверхностно-активной среды; обоснованию цели и задач исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии и определению фрактальных характеристик трещинной структуры принятых к изучению горных пород.

В третьей главе дается анализ результатов экспериментального исследования развития трещинной структуры в процессе нагружения горных пород.

Четвертая глава посвящена прогнозу изменения фрактальных характеристик, свойств и состояния горных пород в поверхностно-активной среде на основе теоретических и экспериментальных исследований.

В пятой главе на основе результатов проведенных исследований дается аналитическая оценка прочности и разрушаемости пород, оценивается эффективность использования ПАВ в процессах горного производства.

Характеристики процесса разрушения горных пород определяются особенностями их трещинной структуры. Физические закономерности зарождения и развития трещин лежат в основе современных теорий прочности (А. Гриффитс, Е. Орован, Дж. Ирвин, Г. П. Черепанов, С. Н. Журков). Изучению трещиноватости горных пород и массивов как фактора их прочности и устойчивости посвящены многочисленные исследования (Л. И. Барон, М. М. Протодьяконов, М. В. Рац, К. В. Руппенейт, Л. В. Шаумян и др.). Иерархичность и самоподобие трещинной структуры пород обусловливают необходимость ее изучения на микроуровне (М. А. Садовский).

Исследование трещин производилось методом люминесцентной дефектоскопии, адаптированным к особенностям скальных пород. В ходе отработки методики экспериментального исследований трещинной структуры горных пород решались следующие задачи: выбор технических средств и компоновка лабораторного стенда; подбор флуоресцирующего состава и отработка процедуры фотофиксации трещин; компьютерное обеспечение процедуры представления трещин в цифровом виде и анализа координат их траектории. Лабораторный стенд включает в себя: микроскоп МБС-10 с микрофотоустройством МФУ; цифровой фотоаппарат Sony DSC-W200; ультрафиолетовый облучатель Line 506. Поверхность исследуемых образцов подвергалась механической шлифовке абразивными порошками М25, М10, М3 и полировке окисью хрома. В качестве флуоресцентного раствора использовался состав НМ 3А. Освещение образца на предметном столике микроскопа осуществляется ультрафиолетовым облучателем Line 506 с длиной волны 350÷400 нм. Для последующего анализа трещинной структуры горных пород требуется обработка фотографий с целью определения координат точек контура трещин. Нами разработана и апробирована комплексная процедура с использованием возможностей CorelDraw, AutoCAD и Microsoft Excel.

По данной методике изучена трещинная структура гранитов Мансуровского месторождения и эффузивных пород Североуральских бокситовых месторождений. На первом этапе измерение размеров трещин производилось классическим методом «палетки», при котором трещина заведомо принимается как линейное образование. Установлено, что концентрация трещин с увеличением их размера закономерно снижается и может быть описана логарифмически-линейным распределением вида:

ln Ni = L1KL ln (li), (1)

где L1 - логарифм концентрации трещин единичной длины (1 мкм); KLтемп снижения концентрации трещин с увеличением их длины. В частности, для туфа Североуральских месторождений параметры уравнения (усредненные по 6 образцам): L1 = 18,9; KL = 2,51. Данные параметры найдены для N, 1/см3 и li, мкм.

Однако истинная геометрия трещин далека от линейной и не может быть описана топологической (т. е. целочисленной) размерностью. В 1975 году Б. Мандельброт назвал объекты с дробной размерностью df фракталами. К фрактальным объектам относятся, например, линии берегов рек, рельеф местности, очертания облаков, турбулентные потоки, организации живых систем, молекулы вещества, динамические системы с хаотическим поведением и др. К этому же типу, несомненно, относятся и трещины в горных породах. Одним из важнейших свойств фрактала является зависимость его размеров от масштаба измерения. Эта зависимость (закон Ричардсона) выражается формулой: L(δ) = α ∙ δβ, где α – некоторая константа; β – отрицательный показатель степени.

Для определения входящих в данное уравнение констант производится многократное измерение линии (трещины) с все уменьшающимся раствором циркуля δi, и при каждом измерении вычисляется длина трещины как Li =
= Ni) ∙ δi, где Ni) - число отрезков длиной i, покрывающих всю линию. Из зависимости Ричардсона можно получить: ln Ni) = ln α – df ln δi, где df = 1 – β – фрактальная размерность. Это выражение представляет собой уравнение прямой в двойном логарифмическом масштабе, параметры которого можно определить известными методами корреляционного анализа (способом «наименьших квадратов»). Для определения фрактальной размерности трещин df наиболее простым в реализации является метод «покрытия», при котором траектория трещины покрывается квадратными сетками с все уменьшающимися размерами ячейки ri. На каждом этапе определяется число ячеек N(ri), покрывающих трещину, производится построение графика зависимости
ln N(ri) = f(ln ri), и величина фрактальной размерности определяется как угловой коэффициент графика df = ln N(ri)/ ln ri. В соответствии с законом Ричардсона истинная (фрактальная) длина трещины определится соотношением:



где L0 – расстояние между вершинами трещины; δ – масштаб измерений, определяемый существом решаемой задачи, т. е. масштабом рассмотрения трещинной структуры горных пород.

Однако обрисовка и покрытие каждой из сотен трещин в образце набором сеток с разными размерами ячейки требует больших затрат времени и связана с возможностью возникновения ошибки вследствие субъективного восприятия объекта. Кроме того, для оценки разрушаемости горных пород важны не только фрактальные размерности единичных трещин, но и их пространственное распределение в образце. Все это требует дальнейшего развития методики изучения фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород.

Для решения данной задачи нами разработана комплексная компьютерная процедура, алгоритм которой заключается в следующем. Цифровая фотография трещинной структуры горных пород подвергается трассировке квадратными ячейками со стороной, равной разрешающей способности микроскопа, в среде графического редактора CorelDraw. Полученное изображение переносится в систему автоматизированного проектирования (AutoCAD), в среде которой производится замена квадратных ячеек точками (пикселями), назначается система координат, в соответствии с которой автоматически формируется таблица координат пикселей и передается в систему MS Excel. Полученная таким образом информация используется в разработанных программах определения фрактальной размерности единичных трещин, информационной и корреляционной размерностей, кластерного анализа.

Компьютерная программа автоматического вычисления фрактальной размерности единичной трещины базируется на доказательстве Р. Кроновера об адекватности траектории трещины одномерной реализации фрактального броуновского движения (ФБД) с нулевым математическим ожиданием и дисперсией D = S2 (t2t1)2H, где S – масштаб отклонений координат трещины от линии, соединяющей вершины трещины и принимаемой за ось t; Н – характеристический параметр ФБД. На выходе программы автоматически производится построение графика суммы квадратов отклонения приращений Sxi) в зависимости от величины шага Δti: ln Sxi) = C + H ln Δti, и вычисляется фрактальная размерность трещины: df = 2 – H.

Важнейшим показателем трещинной структуры горных пород является неоднородность пространственного распределения по поверхности или объему совокупности трещин. Количественной мерой являются информационная и корреляционная размерности (С. С. Крылов, Н. Ю. Бобров). Информационная (энтропийная) размерность характеризует скорость возрастания количества информации с возрастанием подробностей (шага измерения) при рассмотрении фрактального объекта. Для пространственно однородной структуры трещин информационная размерность совпадает с размерностью Хаусдорфа. В противном случае она становится меньше фрактальной размерности единичных трещин, и чем больше эта разница, тем более неоднородна трещинная структура горной породы. Разработанная компьютерная программа основана на вычислении информационной энтропии:

(3)

Здесь Pj(ri) = mj/M – вероятность (частота mj) попадания точек трещины в j-ю ячейку при размере сетки покрытия ri. Из соотношения I(ri) ~ dI log (ri) путем построения соответствующего графика программа вычисляет величину информационной размерности dI. Поскольку для неоднородного распределения точек dI < d0, где d0 – геометрическая размерность, вычисленная без учета частоты попадания точек в ячейки сетки, то величину Kн = d0 / dI можно использовать как меру неоднородности трещинной структуры горных пород.

Корреляционная размерность в отличие от других основывается не на методе покрытия, а на оценке расстояния между парами точек дискретного множества N с координатами r1, r2, … , rN. Оценкой служит корреляционный интеграл C(), численно равный относительному числу пар точек, расстояние между которыми не превышает заданную величину :

(4)

где  - функция Хевисайда, принимающая значения (х) = 0 при x < 0 и
(х) = 1 при x  0. Разработанный нами алгоритм и компьютерная программа состоят в следующем. На электронной копии трещинной структуры задаются несколько референтных точек и радиусы окружностей (сфер в объемной задаче) εj с логарифмическим шагом увеличения. Для каждой выделенной точки трещин вычисляется функция Хевисайда и корреляционный интеграл. Затем производится построение графика функции log C(j) = f(log (j) и способом наименьших квадратов вычисляется корреляционная размерность
d2 = lim [log C(j)/ log (j)]. В зависимости от характера решаемых задач в программе предусмотрено фиксировать все точки (пиксели) нарушений, только характерные точки трещин (например, ее вершины, точки перегибов и др.) или каждую трещину характеризовать одной точкой ее середины. Следует отметить, что данное компьютерное обеспечение (методику) можно использовать для оценки неоднородности распределения в горной породе пор, включений, минеральных зерен различного размера и т. п. Реализация разработанной методики позволила определить фрактальные размерности единичных трещин, закономерности их пространственного распределения и явилась базой дальнейших исследований.

Таким образом, разработанная методика и программное обеспечение анализа фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород являются базой для оценки реальной геометрии трещин, закономерностей их пространственного распределения, изучения динамики развития трещинной структуры горных пород.

Трещинная структура определяет свойства и состояние горных пород. Эффективным средством их направленного изменения являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Их действие основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Проникая в трещины и контакты минеральных зерен, активные молекулы снижают удельную поверхностную энергию пород, тем самым (в соответствии с теорией хрупкого разрушения А. Гриффитса) уменьшая сопротивление росту трещин, способствуют их развитию.

Анализ результатов экспериментальных исследований действия выбранных растворов ПАВ (для пироксен-плагиоклазовых пород эффузивного комплекса – AlCl3 в концентрации 0,001 %; для известняков – MgCl2 – 0,1 %) с использованием разработанной и описанной выше методики компьютерного анализа фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород позволяет сделать следующие обобщения. Нагружение пород в поверхностно-активной среде существенно активизирует процесс трещинообразования. В среднем действие ПАВ приводит к увеличению концентрации трещин и их удельной поверхности почти в 4 раза; степень нарушенности возрастает более чем в 6 раз. При этом наряду с ростом уже существующих в породе трещин наблюдается зарождение новых нарушений. Установлено, что распределение развивающихся трещин по размерам описывается логарифмически-линейным уравнением вида: ln mi = LmKm ln (li); вновь зарождающие трещины имеют распределение Вейбулла: Mi = 1 – exp [– (li/b)m].

Для изучения динамики развития трещинной структуры организована серия экспериментальных исследований эффузивных пород (андезитобазальтовых туфов) Североуральских месторождений. В ходе ступенчатого нагружения образцов с помощью описанной выше методики производилась фотофиксация трещин и оценка их фрактальных характеристик. Для оценки энергетических характеристик процесса параллельно производились замеры деформации образцов. В качестве примера на рис. 1 представлены фотографии поверхности образца и графики деформации после первой и последней (шестой) ступеней нагружения.

после_1 (обрезан)



(б)

(а)



Рис. 1. Трещинная структура (а) и графики деформации туфа после
первой (б) и шестой (в) ступеней нагружения



(в)


Для анализа идентифицировались с определением координат следующие объекты: траектории магистральных трещины по мере их развития под нагрузкой; ответвления от магистральной трещины двух типов – растущие в ходе увеличения нагрузки и тупиковые ветви; участки отдельных трещин, сливающихся на последующих стадиях нагружения; новые нарушения (трещины), зарождающиеся и развивающиеся в ходе нагружения образцов
(рис. 2). В результате установлены следующие закономерности.

По мере нагружения горных пород наблюдается закономерный рост трещин, сопровождающийся их ветвлением, торможением ответвлений и слиянием первоначально раздельных дефектов. При этом наблюдается тенденция роста фрактальной размерности объединенной трещины dfобщ по сравнению с размерностью ее фрагментов dfср:

df общ = 1,71 df ср – 0,66.

В целом чем больше линейная длина трещины L0, тем выше ее фрактальная размерность. Уравнение тренда записывается в виде:

df общ = 1,02 + 0,2 L0

с коэффициентом корреляции r = 0,56. Изменение фрактальной размерности трещин обусловлено неоднородностью строения (зернистостью) горных пород. Поскольку локальное нарушение развивается, в первую очередь, по контактам минеральных зерен, то начиная с определенной длины (сравнимой с размерами зерен) трещина, огибая неровную поверхность зерна, приобретает большую степень изломанности по сравнению с ее малыми ответвлениями.


Рис. 2. Трещинная структура фрагмента образца эффузива
В ходе деформации образцов наряду с развитием трещин происходит их смыкание и взаимодействие, т. е. изменяется трещинная структура горных пород в целом. Количественной оценкой этого могут служить информационная (энтропийная) и корреляционная размерности. Первая основана на вычислении информационной энтропии (уравнение (3)) и оценивает вероятностные закономерности формирования трещинной структуры горных пород. График изменения информационной размерности по мере нагружения образцов представлен на рис. 3. ветвление трещин.jpg

В первом цикле нагружения наблюдается минимум энтропии, свидетельствующий о резком возрастании неоднородности трещинной структуры горных пород за счет зарождения и роста очагов нарушений. При дальнейшем возрастании нагрузки развивающиеся трещины и вновь зарождающиеся дефекты все более равномерно заполняют объем образцов, и информационная размерность монотонно возрастает. Причем темп этого возрастания закономерно снижается, и можно предположить, что в пределе график будет иметь асимптоту, соответствующую геометрической размерности поверхности
d0 = 2.


Рис. 3. Изменение информационной размерности трещинной структуры по мере нагружения пород
Корреляционная размерность в отличие от информационной основывается не на вероятностной оценке энтропии, а на сравнении расстояния между координатами дефектов и вычислении функции Хевисайда (уравнение (4)). Поэтому минимуму энтропии в первом цикле нагружения соответствует максимум корреляционной размерности d2. В дальнейшем ее величина уменьшается и стабилизируется вплоть до последнего цикла, когда резкое возрастание размерности d2 отражает предразрушающую стадию нагрузки.

Взаимодействующие трещины образуют очаги нарушений – кластеры. Динамику этого процесса можно рассматривать как саморазвитие под действием нагрузки кластерной структуры горных пород. Процесс может быть представлен как последовательный ряд этапов развития трещинных кластеров и присоединения их друг к другу. Эти этапы представляют собой различные уровни иерархии структуры горных пород (рис. 4). Количественной мерой может служить фрактальная размерность кластеров, определяемая методом покрытия: df = lim[ln Ni / ln (1/δi)] + 1, где Ni – число ячеек, покрывающих кластер, при изменении размера ячейки δi.



Рис. 4. Формирование кластерной структуры горных пород
Анализ результатов экспериментальных исследований показывает устойчивый нелинейный рост фрактальной размерности кластеров по мере нагружения образцов (рис. 5). Данную зависимость можно описать уравнением параболы вида:

df = 2,48 + 8∙10-5∙(σ2 – 8,75∙σ). (5)

Коэффициент достоверности аппроксимации (коэффициент детерминации) R2 = 0,995 свидетельствует о статистической надежности данной зависимости. Положительная кривизна графика отражает ускоряющийся рост дефектности пород с нагрузкой, что соответствует современным представлениям о накоплении повреждений в ходе разрушения горных пород. кластерная (автореф).jpg


Рис. 5. Рост фрактальной размерности кластеров с увеличением нагрузки
Активизация трещинообразования в поверхностно-активной среде закономерно сопровождается снижением прочности и пластифицированием горных пород. Усредненные данные по относительному снижению прочности пород в ПАВ приведены в табл. 1.

  1   2   3

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconПрогнозирование параметров дробления горных пород в условиях направленного...
Оборудование: изображения гербов на листах, кроссворд, выставка литературы, энциклопедия, таблички, учебник по истории Саплина Е....
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconРабочая программа дисциплины «Механизация и автоматизация горного производства»
Цели дисциплины: Цель дисциплины получение системных знаний в области механизации и автоматизации проведения подземных и открытых...
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconПрограмма по формированию навыков безопасного поведения на дорогах...
Изучаемые вопросы: изменение общих параметров; изменение свойств конструктора таблиц
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconМетодическая разработка урока немецкого языка по теме: «Технология...
Методическая разработка урока немецкого языка по теме: «Технология в горной промышленности и модернизация горного производства» (для...
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconПрограмма учебной дисциплины «история факультета и кафедры»
Целью дисциплины является знакомство будущих специалистов-металлургов с историей становления и развития изучения металлургии в стенах...
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconТемы рефератов. Бактериальная коррозия. Виды бактерий, развивающихся...
Формирование структуры и свойств сварных соединений. Зоны сварных соединений. Технологические методы обеспечения свойств сварных...
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconПрограмма по формированию навыков безопасного поведения на дорогах...
Прекращение синтеза того или иного белка или изменение его структуры ведет к формированию патологических признаков и развитию болезней....
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconПродуктивность и технологические свойства молока коз зааненской, альпийской и нубийской пород
Специальность: 06. 02. 10 – частная зоотехния, технология производства продуктов животноводства
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconПрограмма учебной дисциплины «Покрытие материалов»
Цель преподавания дисциплины – формирование представлений о процессах производства эмалированных художественных изделий. Задачи дисциплины...
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconТемы курсовых работ на кафедре физики Земли для студентов 2 курса
Применение магнитосиловой микроскопии для исследования структуры ферримагнитных зерен горных пород
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconОтчет по результатам самообследования
Изменение структуры подготовки специалистов за последние три года и ее ориентация на реальные потребности
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconОтчет о результатах самообследования
Изменение структуры подготовки специалистов за последние пять лет и ориентация на региональные потребности 14
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconИсследование взаимосвязи структуры, твердости и магнитных свойств...

Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconКонкурс ученических рефератов «Кругозор»
В связи с развитием промышленности, энергетики, транспорта, коммунального и сельского хозяйства, ростом городов происходит, с одной...
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconАнализ уровня воспитанности в 2008-2009 учебном год
В 2008-2009 учебном году основной целью воспитательной работы являлось личностно-ориентированное воспитание, направленное на раскрытие...
Ём Николаевич направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства iconПравительство Российской Федерации Государственное образовательное...
Статистическое исследование структуры и структурных изменений в социально-экономических процессах


Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
100-bal.ru
Поиск